Лекция 3. Пигменты процесса фотосинтеза
Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в частности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами-пигментами. Пигменты — это окрашенные вещества. Пигменты поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеленые лучи в основном отражаются. Видимая часть солнечного спектра включает длины волн от 400 до 700 нм.
Вещества, поглощающие весь видимый участок спектра, кажутся черными. Пигменты, сконцентрированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, фикобилины, каротиноиды.
Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты— хлорофиллы.
(от греч. хлорос — зеленый и филлон — лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших зеленых растений содержатся хлорофиллы а и б. Хлорофилл с содержится в диатомовых водорослях, хлорофилл d — в красных-водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (а, б, с и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий содержатся бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий — бактериохлорофиллы а и б. Основными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являются хлорофилл, а для зеленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий.
По химическому строению хлорофиллы — сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты — хлорофиллина и двух остатков спиртов — фитола и метилового. Эмпирическая формула — С55Н72О5N4Mg.
Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам
В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спиртов — метилового СН3ОН и фитола С2оН39ОН.
В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольных группировок.
В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение определенных лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка — 2 нм.
Молекула хлорофилла полярная, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой.
Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хлорофилла сопряженных двойных связей с подвижными π-электронами и атомов азота с не поделёнными электронами.
Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).
Хлорофиллы хорошо растворимы в органических растворителях (этиловом эфире, бензоле, хлороформе, ацетоне, этиловом спирте) и нерастворимы в воде. Хлорофиллы имеют максимумы поглощения света в красной и синей частях спектра. Растворы хлорофиллов обладают флуоресценцией и фосфоресценцией.
Каротиноиды – жирорастворимые пигменты, присутствующие в хлоропластах всех растений. Они входят в состав хромопластов в не зелёных частях растений, например, корнеплодов моркови. К каротиноидам относят 3 группы соединений:
оранжевые или красные каротины,
желтые ксантофиллы,
каротиноидные кислоты.
Каротины и ксантофиллы состоят из 8 остатков изопрена, которые образуют цепь конъюгированных двойных связей (рис. 5.2). Основные каротиноиды - -каротин, лютеин, виолаксантин и неоксантин.
Рис. 5.2. Структурные формулы каротиноидов и последовательность их превращений (по В. В. Полевому).
Каротины и ксантофиллы растворимы в хлороформе, бензоле, сероуглероде, ацетоне. Каротины хорошо растворяются в эфирах, но плохо в спиртах, а ксантофиллы, наоборот. Каротиноиды имеют максимумы поглощения в фиолетово-синей и синей частях спектра света. Они не способны к флуоресценции.
Главные функции каротиноидов: поглощение света в качестве дополнительных пигментов, защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления, тушение активных радикалов, участие в фототропизме, так как способствуют определению направления роста побега.
5
.1.3.
Фикобилины
Сине-зеленые и красные водоросли помимо хлорофилла а и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Их молекула состоит из 4 последовательных пиррольных колец (рис. 5.3). Фикобилины являются хромофорными группами глобулиновых белков фикобилипротеинов. Они делятся на 3 группы:
1) фикоэритрины – белки красного цвета,
2) фикоцианины – сине-голубые белки и
3) аллофикоцианины – синие белки. Все они обладают флуоресценцией и растворимы в воде.
Фикобилины имеют максимумы поглощения в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра света. Это позволяет водорослям полнее использовать свет, проникающий в воду. Вода обладает светопоглощающей способностью. На глубине около 30 м полностью исчезают красные лучи, около 180 м – желтые, 320 м – зеленые, а на глубину более 500 м не проникают синие и фиолетовые лучи. Фикобилины – это дополнительные пигменты, участвующие в светособирающем комплексе. Около 90 % энергии света, поглощенного фикобилинами, передается на хлорофилл а. У растений имеется фикобилин фитохром. Он не участвует в фотосинтезе, но является фоторецептором красного и дальнего красного света и выполняет регуляторные функции в клетках растений.
Давайте теперь охарактеризуем этапы фотосинтеза.
Фотофизический этап по значимости является наиболее важным, так как осуществляет переход и преобразование энергии одной системы (неживой) в другую систему (живую). Фотофизический этап начинается с поглощения квантов света электронами атомов, входящих в состав пигментов. В первую очередь кванты света будут поглощаться наиболее подвижными электронами в молекуле хлорофилла – т.е. теми, которые слабее удерживаются ядром, такими подвижными электронами в молекуле хлорофилла являются делокализованные -электроны двойных связей, орбитали которых обобщены между двумя ядрами и не спаренные электроны атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. Именно с этим связано то, что молекулы хлорофилла имеют две основные линии поглощения.
Из возбужденного, первого синглетного и триплетного состояния молекула хлорофилла также может переходить в основное. При этом ее -дезактивация (потеря энергии) может проходить: 1) путем выделения энергии в виде света (флуоресценция и фосфоресценция1) или в виде тепла; 2) путем переноса энергии на другую молекулу пигмента; 3) путем затрачивания энергии на фотохимические процессы (потеря электрона и присоединение его к акцептору, образование АТФ и НАДФ-Н2) (рис. 44). В любом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит
на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флуоресценции или в виде теплоты, не может быть использована.
Рассмотрение энергетических состояний молекулы хлорофилла и различных путей использования энергии электронного возбуждения позволяет констатировать, что Mg-порфирины одновременно обладают способностью поглощать и сохранять энергию в виде энергии электронного возбуждения и способностью к окислительно-восстановительным изменениям. Возбужденная молекула хлорофилла – мощный восстановительный агент, играющий решающую роль в образовании высоко восстановленных кофакторов в реакциях фотосинтеза.
В настоящее время показано, что хлорофилл имеет две функции — поглощение и передачу энергии. При этом основная часть молекул хлорофилла (светособирающий комплекс — ССК) только поглощает свет и переносит энергию возбуждения на особые молекулы хлорофилла, которые непосредственно участвуют в фотохимическом процессе. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. Энергия квантов света улавливается 200—400 молекулами антенного хлорофилла ССК и как бы стекается к одной, особой его молекуле, являющейся ловушкой и входящей в реакционный центр. В улавливании и передаче энергии на молекулу хлорофилла-ловушки могут участвовать не только молекулы хлорофилла, но и каротиноиды и фикобилины.
Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем, без разделения зарядов с большой скоростью.
Перенос энергии происходит только от пигментов, поглащающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны.
Хотя передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу, а — 90%, от каротиноидов к хлорофиллу — 40%), однако все же это связано с некоторой ее потерей. Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основные формы хлорофилла, к которым стекается энергия, являются более длинноволновыми (хлорофиллы П680 и П700)- Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Фотофизический этап фотосинтеза и заключается в том, что кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, входящую в реакционный центр, осуществляющий первичные фотохимические реакции: разделение зарядов.
Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных
превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.
Фотохимические реакции фотосинтеза — это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в первую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ является энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложение воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется, кислород. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов ССК к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ловушки, отдавая электрон акцептору, окисляется. Электрон поступает в электронно-транспортную цепь. Предполагается, что ССК состоит из трех частей: главного антенного компонента и двух фокусирующих, расположенных в двух фотосистемах. Комплекс антенного хлорофилла погружен в толщу мембраны тилакоидов хлоропластов. Совокупность светофокусирующих (антенных) молекул пигментов и реакционного центра составляет фотосистему. Реакционный центр включает хлорофилл-ловушку а и первичный акцептор электронов.
В процессе фотосинтеза принимают участие две фотосистемы.
Эмерсон показал, что эффективность света с длиной волны 680—700 нм может быть значительно повышена добавлением света с более короткой длиной волны (650—660 нм). Интенсивность фотосинтеза при освещении смешанным светом (с двумя длинами волн) оказалась выше суммы интенсивностей фотосинтеза, наблюдаемой при освещении светом каждой длины волны в отдельности. Это явление называют эффектом усиления или эффектом Эмерсона. Был сделан вывод, что необходимо одновременное световое возбуждение пигментов, различающихся по спектру поглощения. Именно это и привело к понятию о существовании двух фотосистем. Интересно, что эффект усиления наблюдается при изучении фотосинтеза у высших растений и водорослей. У бактерий этот эффект отсутствует и, соответственно, в процессе фотосинтеза участвует одна фотосистема. Установлено, что фотосистема I включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр I, фотосистема II включает светофокусирующие пигменты и реакционный центр II. Хлорофилл-ловушка фотосистемы I поглощает свет с длиной волны 700 нм (П700), хлорофилл-ловушка фотосистемы II поглощает свет с длиной волны 680 нм (П700). По-видимому, свет поглощается раздельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фотосинтеза требует их одновременного участия.
Перенос по цепи переносчиков включает ряд окислительно-восстановительных реакций.
Важно заметить, что при окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос либо атома водорода, либо электрона.
Различают два типа потока электронов — циклический и нециклический. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ. Выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций энергия частично используется на синтез АТФ. Процесс преобразования энергии света в энергию АТФ получил название фотосинтетического фосфорилирования (Д. Арнон). Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.
Нециклическое и циклическое фотосинтетическое фосфорилирование принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов.
Особенности нециклического фосфорилирования:
Участие двух фотосистем
Нециклический транспорт электронов от воды к НАДФ
Образование двух энергетических эквивалентных АТФ и НАДФН2, которые используются в темновой фазе фотосинтеза
Происходит фотоокисление воды и выделение кислорода и образуется вода.
Схема нециклического фосфорилирования:
Электрон в молекуле П700 переходит на более высокий энергетический уровень (Si). В основном состоянии окислительно-восстановительный потенциал П700 составляет +0,43 В. Следовательно, тенденция к потере электрона (окислению) выражена очень слабо. Однако при поглощении кванта света молекула П700 переходит в возбужденное состояние и ее окислительно-восстановительный потенциал изменяется до —0,80 В. Поэтому в возбужденном состоянии молекула П70о легко отдает электрон (фотохимическая реакция). Энергия
света изменяет распределение электронов в кольце молекулы хлорофилла 700 и делает один электрон доступным для переноса. При этом энергия квантов сначала переходит в энергию электронного возбуждения, а. затем в энергию разделения зарядов. Так, отдавая электрон, молекула П700 окисляется и остается в виде положительно заряженной молекулы
Хл + hv -> Хл*, Хл* (Хл)+ + e-,
где Хл* — возбужденная форма хлорофилла, (Хл)+— окисленная
форма хлорофилла.
Электрон с первого переносчика передвигается по направлению к НАДФ через ряд переносчиков, расположенных в порядке возрастания О/В потенциала. Электроны спонтанно текут в сторону менее отрицательного окислительно-восстановительного потенциала. Переносчик, воспринимающий электрон от П700 (неидентифицированный), передает электрон на железосерные белки. Следующим переносчиком является железосодержащий белок ФС1 поглощает кванты света, энергия которых стекается к ХЛ 700. Его электроны переходят из S0 в S1 и далее передаются по ЭТЦ: переносчик Z, ферредоксин, от него на НАДФ.
Работа второй ФС начинается с поглощения квантов света, энергия стекается к ХЛ680. затем электрон передается переносчику QC550 затем на пластохинон, для восстановления которого нужны не только электроны, но и протоны, которые берутся из внешней среды. Затем электрон передается на цитохромы, не нужные протоны водорода выбрасываются, затем переносчик, конечный переносчик – пластоцианин. Для заполнения дырки вместо электрона в ХЛ680 электрон поступает из воды, при этом происходит ее фотоокисление и выделение кислорода.
Темновая фаза фотосинтеза
Энергия, накопленная клетками в молекулах АТФ, используется на синтез глюкозы и других органических веществ. Глюкоза образуется при восстановлении углекислого газа с участием протонов воды и восстановленной формы НАДФ*Н.
С3 путь (цикл Кальвина)
Состоит из трех основных этапов
Карбоксилирование
Восстановление
Регенерация первичного акцептора и синтеза конечного продукта (знать схемы реакций)
1 этап. Фермент фосфорибулакиназа фосфолилирует при участии АТФ рибулоза-5-фосфат. Рибулоза 1,5 дифосфат является акцептором углекислого газа. И под действием рибулоза дифосфат карбоксилазы присоединяется углекислый газ. В результате образуется 2 молекулы 3 фосфоглицериновой кислоты (3ФГК). Фосфоглицериновая кислота является первичным продуктом ассимиляции углерода, т.к. в ее молекуле содержится 3 атома углерода поэтому цикл также называется С3
2 этап. Восстановление. Фосфоглицираткиназа при участии АТФ. Фосфолилирует 3ФГК. И образовавшаяся 1,3-дифосфоглицириновся кислоты и восстанавливается с помощью НЕДФН и дегидрогеназы до фосфоглициринового альдегида (3ФГА)
3 этап. Регенерация. После фиксации 3х молекул СО2 и образования 6 молекул 3ФГА 5 из них используется для синтеза рибулоза 5 фосфата, а одна молекул для образования глюкозы.
Триозафосфатизомераза превращает 3ФГА в фосфодиоксиацетон (диоксиацетонфосфат (ФДА)) затем альдолаза образует из 3ФГА и фосфодиоксиацетона фруктоза-1,6-дифосфат. Он теряет 1 остаток фосфорной кислоты под влиянием фруктоза1,6дифосфатазы и превращается во фруктоза 6 фосфат
Транскеталаза переносит глюкозный альдегид от глюкозо-6-фосфата на 3ФГА с образованием эритрозо4фосфата и ксилулоза-5-фосфат
Альдолаза присоединяется фосфодиоксиацетон к эритрозо4фосфату с образование кседогептулуза-1,7-дифосфата. Он дефосфолилируется фосфатазой и под влиянием транскеталазы соединяет кседогептулоза-3-фосфат с 3ФГА. Продуктами являются кетулоза-5-фосфат и 1 молекула рабулозо-5-фосфата. Они под действием работы 5 фосфатизомеразы превращаются в 3 молекулы рибулоза-5-фосфата.
И там используется для образования сахарозы.
Среди продуктов фотосинтеза обнаруживаются не только сахара, но и АК при недостатке НАДФ*Н 3ФГК превращается не в 3ФГА, а в ПВК. ПВК, присоединяя аммиак образуется аланин, который дает в реакциях переаминирования другие АК.
С4-путь фотосинтеза цикл Хетча-Слека
Характерен для тропических, субтропических растений, однодольных т двудольных из 16 семейств (кукуруза, сахарный тростник) и чаще всего сорняки. Они более адоптированные
Особенности С4 растений
Содержат хлоропласты двух типов: обычные в клетках мезофилла и крупные хлоропласты, не имеющие гран и фотосистемы 2 в клетках обкладки, окружающих проводящие пучки. В цитоплазме клеток мезофилла фермент фесфоенолпируваткарбоксилаза присоединяет углекислый газ к фосфоэнолПВК (ФЕП) образуют ЩУК (щавелево-уксусная кислота). ЩУК транспортируется в хлоропласты, где восстанавливается до яблочной кислоты при участии НАДФ*Н фермент НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа (в присутствии ионов аммония ЩУК превращается в аспарагиновую кислоту, фермент аспартатаминотрансфераза (АСТ)). Яблочная или аспарагиновая кислоты переходят в хлоропласты клеток обкладки, декарбоксилируется до ПВК и углекислого газа. СО2 включается в цикл Кальвина. ПВК переносится обратно в клетки мезофилла, где превращается в ФЕП.
В зависимости от того, какая кислота малат или аспартат транспортируется в клетки обкладки растения делят га 2 типа: малатный и аспартатный
С4 путь позволяет растениям фото синтезировать при закрытых из-за высокой температуры устьицев, кроме того, продукты цикла Кальвина образуются в хлоропластах клеток обкладки, окружающих проводящие пучки это способствует быстрому оттоку фотоассимилятов и тем самым повышают интенсивность фотосинтеза.
САМ-путь фотосинтеза (по типу толстянковых). В сухих местах существуют растения суккуленты, у которых устрица открыты ночью и закрыты днем для уменьшения транспирации. В настоящее время этот тип фотосинтеза обнаружен у представителей 25 семейств. По химизму он похож на С4, но у суккулентов процессы фотосинтеза разделены не в пространстве, а во времени. Устрица днем обычно закрыты что предотвращает потерю воды в ходе транспирации и открыты ночью. В темноте углекислый газ поступает в листья, где фесфоенолпируваткарбоксилаза присоединяет его к ФЕП и образуется ЩУК (аксалоацитат). Она восстанавливается в ФАТ зависимой лактат в яблочный кислоту, которая накапливается в вакуолях. Днем яблочная кислота переходит из вакуоли в цитоплазму, где декарбоксилируется с образованием СО2 и ПВК. СО2 диффундирует в хлоропласты и включается в цикл Кальвина.
С4 и САМ-пути являются жополнитетными, поставщиками СО2 в С3 цикл растений, приспособившихся к жизни в условиях повышенных температур или недостатка влаги. У некоторых растений этот цикл функционирует всегда, у других только в неблагоприятных условиях.